1.5 Загальні питання автоматизації зварювальних процесів і установок

1.5.1 Автоматизація зварювальних процесів і комплексна автоматизація зварювального виробництва

Зварювальний процес, в результаті якого за допомогою встановлення міжатомних зв'язків між з'єднуваними деталями утворюється нерознімне з'єднання, є ключовим етапом зварювального виробництва, що визначає кінцеві властивості та експлуатаційну надійність зварних з'єднань і всієї конструкції.

Велика кількість і високі швидкості зміни параметрів, які визначають процес зварювання, потребують обробки значної за обсягом інформації за одиницю часу, швидкого прийняття і реалізації рішень із керування зварюванням, що виявляються за певними межами недосяжними людині. Порушення умов зварювання, які мають місце на практиці, відхилення параметрів зварювального режиму, а також суб'єктивні фактори — кваліфікація працівника, його втомлюваність тощо, спричинюють утворенню різних дефектів швів, зниженню якості зварних з'єднань. Через це автоматизація, яка звільняє людину-оператора від багатьох функцій із керування операціями технологічних циклів, є обов'язковою умовою успішного здійснення зварювальних процесів і організації зварювального виробництва. Не випадково перші автоматичні регулятори були запропоновані винахідниками дугового зварювання М. М. Бенардосом (1842—1905) та М. Г. Слав'яновим (1854—1897) [3]. М. Г. Слав'янов зазначав, що при використанні плавкого електрода неможливо підтримувати безперервну «вольтову дугу» без автоматичного регулювання. Виходячи з цього, він вважав, що тільки наявність регуляторів дуги може забезпечити реальну можливість промислового застосування дугового зварювання плавким електродом.

Досягнутий на сьогодні рівень розвитку зварювального виробництва дає змогу вважати, що мета автоматизації зварювальних процесів — це утворення зварних з'єднань із потрібними властивостя­ми при найвищих техніко-економічних показниках без безпосередньої участі людини. При автоматизації зварювальних процесів розв'язують такі основні завдання:

1. Забезпечення заданої якості зварних з'єднань і її стабілізація в межах усієї партії однотипних виробів. Розв'язування цього завдання досягається в результаті підвищення точності керування і контролю, запобігання впливу на технологічний процес суб'єктивних факторів.

2. Обробка значної за обсягом інформації про вихідні умови і параметри процесу, потрібної для ефективного керування.

3. Підвищення продуктивності зварювальних робіт, економія робочого часу, трудових, енергетичних і матеріальних ресурсів перш за все в результаті мінімізації, аж до виключення, неприпустимих дефектів і, отже, втрат ресурсів на усунення браку.

4. Звільнення людини від безпосереднього виконання функцій керування зварювальними процесами, перш за все в умовах шкідливих або небезпечних для здоров'я, а також при виконанні рутинних операцій нетворчого характеру. Цей соціальний аспект автоматизаціїза останній час набуває все більшої актуальності.

Автоматичне керування зварювальними процесами є найважливішою складовою систем комплексної автоматизації зварювального виробництва — основи досягнення максимальних рівнів продуктивності праці та якості зварних конструкцій. На відміну від інших металообробних виробництв зварювальне охоплює широкий комплекс різних технологічних операцій, які забезпечують виготовлення заготовок і деталей, їхнє зварювання, термічну обробку, контроль якості з'єднань і обробку готових зварних виробів [4].

У загальному обсязі операцій із виробництва зварних конструкцій власне зварювальний процес за своєю трудомісткістю становить не більш як 20—30 % і його ефективність багато в чому залежить від якості виконання інших операцій, перш за все заготовлення і складання. Якщо при виготовленні деталей методами механічної обробки (точіння, фрезерування тощо) заздалегідь визначають бажані кінцеві розміри деталі з потрібними допусками і розміри заготовки не впливають на точність готової деталі, то при зварюванні змінити фактичні розміри заготовок неможливо, оскільки вони вже визначені попередніми технологічними (заготовочними) операціями і, отже, зумовлять усі лінії швів із їхніми неточностями у напрямі, зазорі, перевищенні кромок та ін. Точність виготовлення заготовок зварних вузлів і конструкцій та складання їх під зварювання за традиційних технологій виконання цих операцій звичайно набагато нижчі точності деталей, які надходять на вузлове складання після їхньої механічної обробки. Однак із неточної заготовки не можна зробити якісного зварного виробу, оскільки навіть найдовершеніші зварювальні автомати не можуть компенсувати дефекти заготовлення і складання. Тому автоматизація зварювальних процесів доцільна і ефективна тільки за умов підвищення загальної технологічної дисципліни, що досягається механізацією та автоматизацією заготовчих і складальних операцій.

Обов'язковою і природною компонентою складально-зварювального циклу є також допоміжні операції: встановлювання деталей під зварювання, підведення і відведення зварювального пальника, засипання флюсу і його видалення, збудження дуги та ін., сумарний машинний час яких становить близько 50 % від загального циклу зварювального процесу. На машинобудівних підприємствах на допоміжні операції припадає понад 38 % від загальної трудомісткості робіт із виготовлення зварних конструкцій. Більшу частину обсягу допоміжних робіт становлять вантажно-транспортні (64,1 %), а також комплектація і розподіл деталей (23,4 %).

Складально-зварювальні операції і супровідні допоміжні, транспортні, а в окремих випадках і заготовчі складають звичайно комплекс операцій єдиного технологічного циклу, що виконується електрозварювальною установкою, верстатом, машиною або лінією. Повнота заміни при цьому механізмами (машиною) ручної праці робітників визначає рівень механізації процесу виготовлення зварної конструкції.

Автоматизація — це якісно нова форма вдосконалення виробничих процесів, яка полягає в передаванні машинам, що знаходяться між людиною і об'єктом зварювання, функцій керування як окремими операціями технологічного циклу, так і установками, машинами, аж до виробничих комплексів і систем, призначених для виготовлення зварних конструкцій.

Автоматизація нерозривно пов'язана з механізацією і, як її вища по суті форма, скерована на виведення людини зі сфери керування виробничими процесами. Автоматизація здійснюється на базі використання засобів механізації окремих етапів технологічного процесу виготовлення зварних конструкцій, забезпечення точної та узгодженої в часі взаємодії всіх агрегатів і пристроїв зварювальної установки (машини), виконання основних і допоміжних операцій, процесів регулювання і керування без участі оператора або під його наглядом.

Предметом автоматизації можуть бути як окремі етапи техноло­гічного процесу або обслуговування установок (часткова авто­матизація), так і увесь процес (комплексна автоматизація). Рівень механізації та автоматизації зварювальних робіт визначають за наведеною трудомісткістю коефіцієнтом [18], %,

(1.88)

де Т_і , T_j — повні нормативні трудомісткості виконання робіт за і-м або j-м способами зварювання відповідно; П_і , П_j — коефіцієнти зведення нормативної трудомісткості робіт t (у нормо-годинах на один виріб) відповідно за і-м або j-м способами зварювання до норм часу t_б за способом, який взято за базу; П=t_б/t; і = 1, ... , n — кількість механізованих і автоматизованих способів зварювання; j= l,...,m-кількість «ручних» способів зварювання.

Коефіцієнт К_р показує частку обсягу робіт, виконаних механізованими і автоматизованими способами зварювання, у загальному обсязі зварювальних робіт. Підставляючи у формулу (1.88) значення T_i і П_i, для автоматизованих способів зварювання можна розрахувати коефіцієнт автоматизації зварювальних робіт К_р.а, який показує частку обсягу робіт, виконаних лише автоматизованим способом зварювання, у загальному обсязі зварювальних робіт.

Рівень механізації та автоматизації зварювальних робіт К_р у цілому по нашій країні досягає 56,7 %, до того ж у машинобудуванні цей показник становить 78,6 %. Рівень автоматизації зварювальних робіт К_р.а вищий і становить 14,3 % по країні і 20,6 % — у машинобудуванні.

Щоб оцінити внесок конкретного виду устаткування в комплексну автоматизацію технологічного потоку зварювального виробництва, можна використати показник локального рівня механізації і автоматизації:

(1.89)

де т — коефіцієнт, що характеризує відносну участь даного устаткування (машини, установки) у виробничому комплексі, який роз­глядається; він дорівнює відношенню наведеної трудомісткості робіт, що виконуються на цьому устаткуванні (машині, установці), до загальної наведеної трудомісткості всього комплексу (потоку, цеху).

Для традиційно використовуваного в зварювальному виробництві устаткування та установок К_р.л > К_р, оскільки m < 1. Значення цих показників наближаються при охопленні механізацією більшого комплексу технологічних операцій. Наприклад, при переході від зварювальних верстатів-автоматів до неавтоматизованих установок, але таких, що поєднують складальні і зварювальні операції, або до багатоопераційних механізованих ліній, які охоплюють більшу частину чи весь комплекс складально-зварювальних операцій. Для кращих зразків комбінованих машин у зварювальному виробництві, машин-комбайнів, у яких операції технологічного потоку поєднані в часі, а деякі і у просторі, т = 1 і К_р.л = К_р.

Визначальною особливістю автоматизації зварювальних процесів і виробництва є передавання машині функцій керування. При автоматизованих методах керування технологічними процесами застосовується устаткування, яке забезпечує звільнення оператора не лише від фізичної праці, а й від найпростіших функцій із керування процесом.

Автоматичне керування технологічним процесом досягається за допомогою використання сучасного устаткування, яке дає змогу повністю або частково замінити фізичну і розумову працю оператора з безпосереднього керування об'єктом. Функції оператора при цьому зводяться до попереднього вибору програми дій, посиланні початкового (пускового) імпульсу — так звана «однокнопкова автоматика», а також до контролю за роботою устаткування і протіканням процесу. Команди (дозволи) на виконання окремих операцій технологічного циклу видаються без участі оператора — реле або датчиками, які контролюють режим роботи виробничої установки, або від ЕОМ, що зберігає програму дій і забезпечує автоматичне збирання, обробку інформації про процес, вироблення і видавання на виконавчі органи устаткування командних сигналів.

Автоматизація у наш час є фактично не стільки заходом, що полегшує працю і економить кошти, скільки загальною потребою, спричиненою характерними особливостями зварювальних процесів, і високими вимогами до стабільності якості зварних з'єднань при їхньому серійному виробництві. Досягнуті на цей час рівні локальної механізації окремих етапів технологічного процесу зварювання і ступінь досконалості використовуваного для цього устаткування досить високі, тому задача об'єднання цих засобів у єдині комплекси із загальною схемою автоматичного керування стає провідною у проблемі автоматизації зварювальних процесів і виробництв.